Molecola del Mese di Dicembre 2010
Parole chiave: Nitrobindina, nitroforina, eme, citocromo, cicloossigenasi,
emoglobina, ossido nitrico, ossigeno, dito di zinco, cilindro beta
 Introduzione
Le proteine svolgono la maggior parte del lavoro
nella cellula . Alcune proteine, però, per funzionare correttamente,
hanno bisogno dell'aiuto di altre molecole.
L'emoglobina, per esempio, utilizza una grossa molecola chiamata
eme (mostrata qui a lato) per intrappolare l'ossigeno O2
la cui piccola molecola sarebbe altrimenti difficile da catturare. L'eme,
è una molecola planare che possiede quattro atomi di azoto (blu)
che sostengono nel centro un atomo di ferro (arancione). Svolge compiti
molto diversi inserito in vari tipi di proteine.
Nei citocromi, per esempio, l'eme trasporta elettroni, nella
cicloossigenasi ossida l'acido arachidonico e in alcune proteine
trasporta molecole gassose come l'ossigeno O2
(nell'emoglobina o nella mioglobina) o l'ossido nitrico NO.
Quando i ricercatori del CESG hanno scoperto una nuova proteina contenente
eme nella pianta Arabidopsis, si sono subito incuriositi e si
sono chiesti quale fosse la funzione di questo nuovo eme.
L'eme esposto
La nuova proteina, illustrata qui a fianco, è
stata chiamata nitrobindina (codice PDB 3emm)
perché è in grado di trasportare ossido nitrico NO.
La posizione del gruppo eme, rosso e ben visibile in figura, è
risultata davvero strana perchè si trova sulla superficie della
proteina, esposto al solvente. Nelle altre proteine contenenti eme,
invece, il gruppo eme si trova sepolto in profondità all'interno
della proteina, circondato da alcuni amminoacidi particolari che si
dispongono proprio sopra l'atomo di ferro per proteggerlo da eventuali
molecole dannose.
Per esempio, nell'emoglobina ci sono due istidine, una che si
lega al ferro su un lato dell'eme e lo tiene nella giusta posizione
ed un'altra che si pone sull'altro lato e lascia libero uno spazio appena
sufficiente per il passaggio dell'ossigeno che si deve legare al ferro,
ma ostacola parzialmente l'ingresso di molecole dannose come il monossido
di carbonio CO e il cianuro CN-.
La nitrobindina, invece ha una sola istidina
che lega il ferro su un lato dell'eme per tenerlo in posizione,
ma dall'altro lato, quello esterno, il ferro è libero, così
può interagire con l'acqua. Questo fatto comporta che, in presenza
di ossigeno, il ferro si ossida rapidamente passando dallo stato di
ossidazione 2+ a 3+ e ha poi una scarsa tendenza a legare ossigeno.
Gestire L'Ossido Nitrico
Gli esperimenti hanno rivelato, comunque, che la
forma ridotta della proteina, che contiene ferro 2+, si lega all'ossido
nitrico NO con una buona affinità. Questo ha aperto un interrogativo
sulla funzione di questa proteina. L'ossido nitrico, nonostante la sua
tossicità, è largamente utilizzato nel mondo animale come
ormone, in particolare per controllare il flusso sanguigno locale. Gioca
un ruolo simile nelle cellule vegetali come parte di una complessa rete
di segnalazione che decide cosa fare quando le cellule vengono infettate
o danneggiate. Un indizio per capire la funzione della nitrobindina
è fornito da un'altra proteina simile che lega ossido nitrico,
la nitroforina.
La nitroforina viene prodotta dagli insetti che succhiano sangue ed
è usata per trasportare NO alle loro vittime, dove dilata i vasi
sanguigni e permette all'insetto di ottenere più sangue. La nitrobindina
può giocare un ruolo simile nelle piante permettendo di immagazzinare
NO in modo sicuro per utilizzarlo in un secondo momento.
Un'altra Nitrobindina
La informazioni che giungono dalla genomica strutturale
spesso agiscono come la palla di neve che dà origine ad una valanga.
I primi dati portano solo una piccola quantità di informazioni,
attorno a questi, però, si accumulano nuovi dati che crescono
sempre più nel tempo.
Dopo aver studiato la struttura della nitrobindina di Arabidopsis (mostrata
qui a destra), i ricercatori del CESG hanno cercato nel genoma umano
e hanno trovato una proteina simile, la proteina THAP4. Questa
contiene un dito di zinco modificato in grado di legarsi al DNA
e contiene anche un dominio con un gruppo eme simile a quello
della nitrobindina.
Esploriamo la Struttura
Una recente struttura cristallografica della proteina umana THAP4 (codice
PDB 3ia8) ha rivelato che possiede una
porzione simile alla nitrobindina di Arabidopsis. Entrambe hanno una
catena proteica organizzata in modo da formare un cilindro beta perfettamente
simmetrico (giallo), una tasca che lega l'eme (sfere colorate)
ad una estremità e, dal lato opposto, una breve porzione ad alfa
elica (rosa) con solo tre avvolgimenti.
Notate che i segmenti beta (gialli) sono tutti antiparalleli, infatti
le punte delle freccie della catene adiacenti guardano sempre da parti
opposte. La catena sale e scende con regolarità per formare le
pareti del cilindro beta.
Le due immagini qui sotto mostrano un particolare di questa stessa subunità
della nitrobindina (codice PDB 3emm),
e permettono di vedere meglio la molecola d'acqua (azzurra) legata all'eme
nella stessa posizione nella quale si lega l'ossido nitrico.
Dietro l'eme, dalla parte opposta rispetto a quella occupata dalla molecola
d'acqua, si vede l'anello dell'istidina che lega il ferro e tiene l'eme
nella giusta posizione.
Le due immagini qui sotto sono state ottenute con
Jmol e con il file PDB 3emm..
Bibliografia
Bianchetti, C. M., Blouin, G. C., Bitto, E., Olson, J. S. & Phillips,
G. N. Proteins 78, 917- 931 (2010).
Wendehenne, D., Durner, J. & Klessig, D. F. Curr. Op. Plant Biol.
7, 449-455 (2004).
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